南京复杂下垫面条件下的三维城市热环境模拟

运用WRF模式,选取考虑城市冠层结构(UCM算例)及不考虑城市冠层(NOUCM算例)两种城市下垫面参数化方案,对南京2010年夏季晴天小风典型天气条件下的城市热环境以及不同下垫面的边界层特征进行了模拟研究。结果表明:1)UCM方案模拟结果与实际情况较为吻合。其中2 m气温的模拟有较大的改进,模拟结果明显高于NOUCM方案,与观测更为吻合,同时更好地模拟出了冠层建筑物对于近地层风速的拖曳,10 m风速的模拟有非常明显地提高。2)UCM方案较好地模拟出了城市的三维热岛分布。由于建筑物地表对辐射的截留,白天14时(北京时间,下同)热岛较强,地面2 m高度处热岛范围较大,热岛面积大约为120 km2,强度为2℃。同时建筑物的存在使得城市湍流动能更大,向上的垂直扩散增加,距地面20 m时,依然能看出明显的热岛效应,热岛强度为1.5℃。距地面55 m处,UCM模拟所得的热岛范围缩小,热岛强度为1.1℃。UCM模拟所得的白天地表热量的扩散影响可达143 m,02:00 2 m处热岛最强为2℃,热岛影响也可达70 m以上。3)不同下垫面呈现出了不同的边界层特征,城市冠层结构对周边下垫面边界层结构存在程度不等的影响,14:00城市区域的湍流混合更强,城市边界层高度升高100 m左右,02:00,城市冠层结构的存在,导致近郊庄稼下垫面及紫金山植被下垫面的稳定逆温层结明显减弱。     

应用E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型对东太湖湖-气交换的模拟

采用考虑沉水植物影响的E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型,模拟2013年8月东太湖湖-气交换过程,并利用太湖的站点观测数据对模型进行了验证。太湖水温的模拟值与观测值吻合较好,模型计算的各层水温与观测值相比,均方根误差均未超过1℃。同时模型也较好地模拟出太湖表面感热通量和潜热通量,潜热通量的模拟值与观测值的标准差为54.7 W/m2。由于湖水较浅,太湖的水温层结会明显受到天气状况的影响。晴朗小风条件下的湖水呈现显著的热分层现象,当风速为0.8 m/s,高层和底层的温差达到7.9℃。大风天气条件驱动较强的水体湍流混合,水温的热分层消失,风速为12 m/s,湖泊上层与底层的水温差仅0.12℃。此外,模拟结果较好地呈现出了东太湖沉水植物的存在通过增大湖体消光系数,减小到达湖体内部的热量,并增加对湖水的阻力,影响湖体中湍流动能的分布,并进而影响湖水温度的分布。综上所述,该模型能够较好地模拟出浅水大湖湖-气交换的过程。      

冷却屋顶对北京城市热环境影响的模拟研究

两种类型冷却屋顶(高反照率屋顶、绿色屋顶)的研究对于北京夏季城市高温的缓解作用具有重要的意义。耦合单层城市冠层模式(SLUCM)与天气研究与预报(WRF3.8)模式, 采用北京市及其外围地区158个站点气象资料评估模式对照案例(case1)的模拟性能, 并选取7组不同反照率屋顶案例(case2—4)和不同覆盖比例的绿色屋顶案例(case5—8)进行敏感性试验。研究结果表明:(1)在北京城市区域, 高反照率为0.85的屋顶(case4)比绿色占比100%的屋顶(case8)具有更好的降温效果, case4的3 d平均降温可达到0.90℃, 而case8降温为0.46℃。(2)屋顶反照率每增加0.1, 会导致北京城市区域最高气温降低0.27℃; 绿色屋顶比例的增大也会导致温度的降低, 每增加10%, 最高气温降低0.16℃。(3)两种冷却屋顶对城市热岛也存在显著的影响, 在13—14时(北京时), case4与case1对比的城市热岛(UHI)降温最大差值为1.47℃, 比case8的城市热岛降温更加明显。(4)在城市区域垂直高度上, 冷却屋顶的降温作用可达到1.2 km, 同时湍流运动存在明显的减弱; 在3 d的12—18时, case4、case8与case1对比, 边界层高度平均降低了669与430 m。      

城市布局规模与大气环境影响的数值研究

为探索城市建设对局地及周边大气环境的影响,本文采用典型代表性天气条件,以北京主城区及其东部发展带小城镇群的发展变化为例,设计算例进行数值模拟.分析结果表明：城镇群建设发展通过地气的相互作用对局地环境产生显著影响,在本文选择的夏日晴好天气条件下,就1980～2004年城市区域布局状况,模拟域内北京城市用地增加19%,城市区域平均气温增加1.91℃,植被覆盖率减少20%,城市区域平均比湿减少3.3 g·kg^-1,并且城市发展的格局规模不同,对城市气象环境的影响程度也不同. 此外,由于地气多因子的相互影响和反馈作用,城建规模的变化对周边的环境也存在显著的影响,城建规模越大,对周边的影响越大．例如, (1) 北京主城区的存在对周边小城镇午间14:00近地面温度影响最大可达到1.2℃,混合层高度可增高150 m左右; (2) 城市建设在影响周边气象环境的同时,也改变了城市污染物的输送扩散能力,北京主城区的存在使周边小城镇PM10的允许排放总量减小18.02 t·d^-1,同时,随着周边小城镇城市规模的扩大,影响主城区PM10逐渐由净的输出转变为净的收入,小城镇群的存在对主城区PM10净收支的贡献率达到0.192 t·d^-1.     

不同城市冠层参数化方案对重庆高密度建筑物环境的数值模拟研究

目前,耦合在WRF模式中的城市冠层方案包括单层冠层方案（UCM）,多层冠层方案（BEP）以及考虑室内外大气能量交换的多层冠层方案（BEP+BEM）。不同方案计算过程及参数设置不尽相同,这些方案能否适应高密度建筑物复杂下垫面的城市气象环境的模拟?建筑物形态参数对于城市气象因子模拟的敏感性如何?为回答上述问题,选取建筑物高密度城市——重庆为研究对象,以2006年重庆高温伏旱天气为背景,采用高分辨率（333 m×333 m）的地理信息系统数据替换WRF模式中默认的美国地质调查局（USGS）静态数据,对WRF中的3种城市冠层方案进行了模拟评估,并进行建筑物形态参数变化对气象因子影响的敏感试验。结果表明：（1）BEP+BEM、BEP、UCM方案模拟值与城区内10个站点2 m高气温观测值的均方差和平均误差分别为1.3、1.4、2.1和-0.5、-0.8、-1.4℃,单层冠层方案相对较差,BEP+BEM方案最好。模拟值普遍略低于观测值。位于密集建筑物周边的2 m高气温模拟值与自动站观测吻合相对较好,而中国国家基本站的观测值与模拟值相比,观测值偏低,靠近水体的模拟结果相对较差;（2）建筑物高度及密度参数的变化对城市近地层气温产生明显的影响,当建筑物高度增高时,由于短波遮蔽作用的影响,白天气温降低最大达到0.4℃,而夜间由于辐射截陷作用增强,气温明显升高,最大可达0.7℃。建筑物间距缩小,导致白天近地面气温降低,夜晚则升高,且夜间变化幅度更大;（3）当调整建筑物高度及密度参数分别为：高度20%（15 m）+60%（20 m）+20%（25 m）,间距20 m时,城区内观测站点2 m高气温观测值与模拟值的均方根误差从1.3℃减小到0.6℃,提高了模式的模拟性能。     

城市水文过程对气象环境影响的模拟分析

采用引入城市水文过程的WRF/SLUCM方案,以北京2010年7月4—6日高温热浪天气为背景,模拟了绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程对城市气象环境的影响。结果表明:(1)绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程可导致北京城区13 ∶00(7月4—6日小时平均,下同)潜热通量升高最多约100 W·m^-2 ,02 ∶00升高最多约15 W·m^-2;感热通量13 ∶00降低最多约80 W·m ^-2;02 ∶00降低最多约5 W·m^-2 。(2)城市水文过程可导致城区13 ∶00相对湿度增加最多约4%,02 ∶00约6%;地表气温13 ∶00降低最多约1.2 ℃,02 ∶00约0.4 ℃。(3)城市水文过程对北京城市热岛强度的减弱效果白天明显好于夜间,且在10 ∶00—14 ∶00出现了强度约0.8 ℃的冷岛效应。(4)水文过程会导致北京城区500 m高度以下白天大气温度最多降低0.5 ℃,相对湿度最多增加3%,但夜间影响较小。由于热对流运动的减弱,城区边界层高度降低约200 m;城区1 km高度以上水平风速增大,低层风速减小。     

城市气象与边界层数值模拟研究

综合评述关于城市气象与边界层数值模拟的近期研究进展,主要就城市气候研究、城市能量平衡、城市热岛研究以及城市陆面过程与城市地表能量平衡模式等方面国内外主要研究工作,结合作者近期的研究工作和认识作一评述.从中提出一些现实与观点方面的问题,给出一些看法和讨论.最后,就当今比较流行并显示十分有效的城市气象和城市边界层数值模拟作一些讨论,着重对这一领域面临的现行研究和未来的挑战,提出一些思考.评述结果表明:①今后需针对我国不同气候区、不同城市特点和建筑物形态特征,开展城市气候、城市地表能量平衡、城市热岛等方面的观测与模拟研究;②在城市气象观测方法与技术导则、观测站网布局、新型观测手段的综合使用等方面的深入研究需进一步展开;③需建立基于时间、天气条件、建筑特征的简单的城市热岛强度预报方法;④可探索采用计算流体力学(CFD)模式作为"桥梁",检验并改进中尺度模式对城市地区的模拟效果.     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

建筑物对周边气温影响的初步研究

随着城市化进程的加快,建筑物成为影响气温观测的最重要因素之一。为了定量研究建筑物对周边气温的影响,应用城市小区尺度模式,选取气象站观测的3个重要时刻(14∶00、20∶00以及02∶00,北京时间),模拟了草地下垫面上长60 m、宽20 m的孤立建筑物,在不同高度(6、18、30m)及不同初始风速(2、4、6、8、10 m·s~(-1))条件下建筑物下风方的气温变化。研究结果表明:(1)由于建筑物的存在,夏季晴天14∶00建筑物下风方最大增温可达2.4℃,夜间20∶00和02∶00建筑物下风方最大降温分别为1.0℃、2.4℃。(2)以影响幅度大于0.1℃为标准,建筑物对下风方气温影响的最大距离在14∶00为11.7倍建筑物高度;而在20∶00和02∶00分别达到36.7倍和21.7倍建筑物高度,超过气象探测环境保护条例规定标准。(3)建筑物导致下风方风速衰减,从而增加了湍流动能中机械产生项的作用,即风速衰减幅度越大,对气温变化影响作用越强;而在白天不稳定层结下,建筑物造成的太阳辐射遮蔽效应对气温变化也有一定影响,建筑物越高,反而会在一定程度上减弱增温效应。